Алюминиевые сплавы в РФ (деформируемые = под мехобработку). Подробная классификация, физические свойства, коррозионные свойства, механические свойства, круглый и профильный алюминиевый прокат, плоский

Что такое механические свойства?

Механические свойства алюминия, как и других материалов – это свойства, которые связаны с упругой и неупругой реакцией материала на приложение к нему нагрузки, в том числе, зависимость между напряжениями и деформациями. Примерами механических свойств являются:

• модуль упругости (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
• предел прочности (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
• предел текучести
• предел усталости
• удлинение (относительное) при разрыве
• твердость.

Механические свойства часто ошибочно относят к физическими свойствам.

Механические свойства материалов, в том числе, алюминия и его сплавов, которые получают путем испытания материала на растяжение, например, модуль упругости при растяжении, прочность при растяжении, предел текучести при растяжении и относительное удлинение называют механическими свойствами при растяжении.

АЛЮМИ́НИЕВЫЕ СПЛА́ВЫ

АЛЮМИ́НИЕВЫЕ СПЛА́ВЫ, спла­вы на ос­но­ве алю­ми­ния; об­ла­да­ют ма­лой плот­но­стью (до 3000 кг/м3), вы­со­ки­ми элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­стью, кор­ро­зи­он­ной стой­ко­стью и удель­ной проч­но­стью. Пер­вые А. с. – спла­вы алю­ми­ния с крем­ни­ем, по­лу­чен­ные в 50-х гг. 19 в., име­ли ма­лую проч­ность и низ­кую кор­ро­зи­он­ную стой­кость. По­во­рот­ным мо­мен­том в ис­то­рии раз­ви­тия А. с. ста­ли ис­сле­до­ва­ния А. Виль­ма (Гер­ма­ния, 1903–11), ко­то­рый об­на­ру­жил в за­ка­лён­ном А. с., со­дер­жа­щем медь и маг­ний, по­вы­ше­ние проч­но­сти в про­цес­се вы­лё­жи­ва­ния, т. н. эф­фект ста­ре­ния (см. Ста­ре­ние ме­тал­лов). В 1921 А. Пач (США) мо­ди­фи­циро­вал сплав Al – Si пу­тём вве­де­ния в не­го мик­ро­ско­пич. доз Na, что при­вело к зна­чит. улуч­ше­нию его свойств. Поз­же для по­лу­че­ния А. с. с оп­ре­де­лённы­ми свой­ст­ва­ми ста­ли при­ме­нять ле­ги­ро­ва­ние разл. ме­тал­ла­ми (Cu, Mg, Mn, Si, Zn, Ni, Li, Be и др.). В Рос­сии в 1930–40-х гг. раз­ра­бот­ку А. с. и вне­дре­ние их в про­из-во осу­ще­ст­в­ля­ли Ю. Г. Му­за­лев­ский, С. М. Во­ро­нов, И. Н. Фрид­лян­дер и др.

До 1940-х гг. при­ме­ня­лись гл. обр. спла­вы на ос­но­ве сис­тем Al – Si (си­лу­ми­ны), Al – Mg (маг­на­лии), Al – Cu – Mg (ду­ра­лю­ми­ны), Al – Mg – Si (авиа­ли). Впо­след­ст­вии так­же по­лу­чи­ли раз­ви­тие вы­со­ко­проч­ные (на ос­но­ве сис­тем Al – Zn – Mg, Al – Zn – Mg – Cu, Al – Mg – Si – Cu), жа­ро­проч­ные (Al – Cu – Mn, Al – Mg – Li, Al – Cu – Mg – Fe – Ni), по­ни­жен­ной плот­но­сти (Al – Be – Mg, Al – Mg – Li, Al – Cu – Li) и др. А. с. В за­ви­си­мости от спо­со­ба про­из-ва по­лу­фаб­рика­тов и из­де­лий А. с. де­лят на де­фор­ми­руе­мые, ис­поль­зуе­мые для из­го­тов­ле­ния лис­тов, плит, про­филей, труб, по­ко­вок, про­во­ло­ки пу­тём де­фор­ма­ции (про­кат­ки, ков­ки, штам­пов­ки и др.), и ли­тей­ные – для из­го­тов­ле­ния фа­сон­ных из­де­лий лить­ём. Со­став и не­ко­то­рые свой­ст­ва наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ных А. с. при­ве­де­ны в таб­ли­цах 1, 2 (см. стр. 578).

Де­фор­ми­руе­мые спла­вы по объ­ё­му про­из-ва со­став­ля­ют ок. 80% всех А. с. Хи­мич. и фа­зо­вый со­став, ре­жи­мы тер­мич. об­ра­бот­ки де­фор­ми­руе­мых А. с. оп­ре­де­ля­ют­ся не­об­хо­ди­мо­стью по­лу­чения оп­тим. ком­плек­са экс­плуа­тац. и тех­но­ло­гич. свойств. Спла­вы сис­те­мы Al – Mg (маг­на­лии) име­ют вы­со­кую кор­ро­зи­он­ную стой­кость, хо­ро­шо сва­ри­ва­ют­ся, но не уп­роч­ня­ют­ся тер­мич. об­ра­бот­кой; для по­вы­ше­ния проч­но­сти в эти спла­вы вво­дят Sc. Спла­вы Al – Zn – Mg об­ла­да­ют вы­со­кой проч­но­стью, хо­ро­шо сва­ри­ва­ют­ся, но при зна­чит. кон­цен­тра­ции Zn и Mg склон­ны к за­мед­лен­но­му кор­ро­зи­он­но­му рас­трес­ки­ва­нию. Спла­вы Al – Mg – Si (авиа­ли) со­че­та­ют хо­ро­шую кор­ро­зи­он­ную стой­кость с вы­ра­жен­ным эф­фек­том ста­ре­ния; хо­ро­шо под­да­ют­ся ано­ди­ро­ва­нию. Спла­вы Al – Mg – Si – Cu силь­но уп­роч­ня­ют­ся в ре­зуль­та­те ста­ре­ния, но от­ли­ча­ют­ся по­ни­жен­ной кор­ро­зи­он­ной стой­ко­стью. Спла­вы Al – Cu – Mg (ду­ра­лю­ми­ны) име­ют ср. проч­ность, но вы­со­кие пла­стич­ность и вяз­кость раз­ру­ше­ния, ма­лую ско­рость раз­ви­тия ус­та­ло­ст­ных тре­щин. Спла­вы Al – Zn – Mg – Cu ха­рак­те­ри­зу­ют­ся са­мы­ми вы­со­ки­ми проч­но­стью и пре­де­лом те­ку­че­сти. Спла­вы Al – Mg – Li име­ют та­кие же, как и у ду­ра­лю­ми­на, ме­ха­нич. свой­ст­ва, но по­ни­жен­ную (на 11%) плот­ность и боль­ший мо­дуль уп­ру­го­сти. Спла­вы Al – Be – Mg об­ла­да­ют вы­со­ки­ми удель­ной проч­но­стью и мо­ду­лем уп­ру­го­сти, хо­ро­шей кор­ро­зи­он­ной стой­ко­стью, пла­стич­но­стью, хо­ро­шо сва­ри­ва­ют­ся, но из-за ток­сич­но­сти их при­ме­не­ние ог­ра­ни­че­но. По­лу­фаб­ри­ка­ты из де­фор­ми­ро­ван­ных А. с. для по­сле­дую­щей об­ра­бот­ки по­лу­ча­ют из слит­ков про­стой фор­мы – круг­лых, пло­ских, по­лых.

Таблица 1. Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов

К де­фор­ми­руе­мым А. с. от­но­сят так­же спе­чён­ные спла­вы (вме­сто слит­ка для фор­мо­ва­ния из­де­лий ис­поль­зу­ют бри­кет, спе­чён­ный из по­рош­ков): спе­чён­ная алю­ми­ние­вая пуд­ра (САП) и спе­чён­ные алю­ми­ние­вые спла­вы (САС). САП, уп­роч­нён­ная дис­перс­ны­ми час­тица­ми ок­си­да алю­ми­ния, пре­вос­хо­дит все А. с. по жа­ро­проч­но­сти. САС, ле­ги­ро­ван­ные Si, Fe, Ni, от­ли­ча­ют­ся очень низ­ким ко­эф. ли­ней­но­го рас­ши­ре­ния.

Таблица 2. Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов

Для ли­тей­ных спла­вов, осо­бен­но важ­ны та­кие ха­рак­те­ри­сти­ки, как вы­сокая жид­ко­те­ку­честь, ма­лая склон­ность к об­ра­зо­ва­нию уса­доч­ных и га­зо­вых пус­тот, тре­щин, ра­ко­вин. На­и­бо­лее вы­со­кие ха­рак­те­ри­сти­ки до­сти­га­ют­ся при ли­тье в ме­тал­лич. фор­мы (в ко­киль, под дав­ле­ни­ем, при жид­кой штам­пов­ке). Важ­ней­шие ли­тей­ные А. с. – си­лу­ми­ны – со­дер­жат св. 4,5% Si, к ним от­но­сят­ся спла­вы сис­те­мы Al – Si и бо­лее слож­ных сис­тем: Al – Si – Mg, Al – Si – Cu – Mg; об­ла­да­ют хо­ро­ши­ми ли­тей­ны­ми свой­ст­ва­ми, не­пло­хой кор­ро­зи­он­ной стой­ко­стью, ср. проч­но­стью, в от­лив­ках не об­ра­зу­ет­ся уса­доч­ной по­рис­то­сти. Спла­вы с со­дер­жа­ни­ем Mg св. 5% (спла­вы сис­тем Al – Mg, Al – Mg – Si с до­бав­кой Mn, Be и Ti) кор­ро­зи­он­но­стой­ки, вы­со­ко­проч­ны, вы­со­ко­пла­стич­ны и об­ла­да­ют по­ни­жен­ной плот­но­стью. Дли­тель­ные низ­ко­тем­пе­ра­тур­ные (60–80 °C) на­гре­вы при­во­дят к ухуд­ше­нию кор­ро­зи­он­ной стой­ко­сти ли­тей­ных А. с. с вы­со­ким со­дер­жа­ни­ем Mg. Тех­но­ло­гия из­го­тов­ле­ния этих спла­вов слож­на, из­де­лия от­ли­ва­ют­ся гл. обр. в зем­ля­ные фор­мы. Спла­вы с со­дер­жа­ни­ем Cu св. 4% (спла­вы сис­тем Al – Cu, Al – Cu – Mn с до­бав­кой Ti, Cd) по жа­ро­проч­но­сти пре­вос­хо­дят дру­гие ли­тей­ные спла­вы, но име­ют по­ни­жен­ные кор­ро­зи­он­ную стой­кость и ли­тей­ные свой­ст­ва. Ли­тей­ные спла­вы (кро­ме си­лу­ми­нов) в прин­ци­пе ана­ло­гич­ны де­фор­ми­руе­мым спла­вам со­от­вет­ст­вую­щих сис­тем, но от­лича­ют­ся бо­лее вы­соким со­дер­жа­ни­ем ле­ги­рую­щих ком­по­нен­тов (Cu, Mg), до­ба­вок (Ni, Ti) и при­ме­сей (Fe).

На свой­ст­ва ли­тей­ных спла­вов по­ми­мо спо­со­бов ли­тья так­же влия­ют вхо­дя­щие в их со­став ком­по­нен­ты, ко­то­рые для од­них спла­вов яв­ля­ют­ся ле­ги­рую­щи­ми, но ока­зы­ва­ют вред­ное влия­ние на дру­гие: Si сни­жа­ет проч­ность спла­вов Al – Mg; при­месь Zn ухуд­ша­ет ме­ха­нич. свой­ст­ва спла­вов Al – Si и Al – Cu; Sn и Pb да­же в де­ся­тых до­лях про­цен­та зна­читель­но по­ни­жа­ют темп-ру плав­ле­ния спла­вов. Вред­ное влия­ние на си­лу­ми­ны ока­зы­ва­ет Fe, вы­зы­ваю­щее об­ра­зо­ва­ние хруп­ких вклю­че­ний, кри­стал­ли­зую­щих­ся в ви­де пла­стин. Со­дер­жа­ние Fe за­ви­сит от спо­со­ба ли­тья: оно мак­си­маль­но при ли­тье под дав­ле­ни­ем и в ко­киль и ми­ни­маль­но при ли­тье в зем­лю. Ка­че­ст­во фа­сон­ных от­ли­вок из А. с. суще­ст­вен­но по­вы­ша­ет­ся при ис­поль­зо­ва­нии чис­той ших­ты (умень­ше­ние ко­ли­че­ст­ва вред­ных ме­тал­лич. и не­ме­тал­лич. при­ме­сей в спла­вах), мо­ди­фи­ци­ро­ва­нии спла­вов (вве­де­ние ма­лых до­ба­вок Ti, Zr, Be), ис­поль­зо­ва­нии про­грес­сив­ных ме­то­дов ра­фи­ни­ро­ва­ния и тер­мич. об­ра­бот­ки.

А. с. от­но­сят­ся к важ­ней­шим кон­струкц. ма­те­риа­лам. По мас­шта­бам про­из­вод­ст­ва и по­треб­ле­ния за­ни­ма­ют 2-е ме­сто по­сле ста­ли; в пром-сти ис­поль­зу­ют ок. 55 ма­рок А. с. Бла­го­да­ря уни­каль­ным экс­плуа­тац. свой­ст­вам ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся: в авиа- и ра­ке­то­строе­нии – шас­си, ло­па­сти воз­душ­ных вин­тов, си­ло­вые эле­мен­ты ле­тат. ап­па­ра­тов (об­шив­ка, фю­зе­ляж, шпан­го­уты, лон­же­ро­ны, нер­вю­ры, верх­ние и ниж­ние плос­ко­сти крыль­ев), кор­пу­сы ра­кет, то­п­лив­ные и мас­ля­ные ба­ки; в су­до­строе­нии – кор­пу­сы су­дов, па­луб­ные над­строй­ки, разл. су­до­вое обо­ру­до­ва­ние; в ав­то­мо­би­ле­строе­нии – де­та­ли дви­га­те­ля (порш­ни, го­лов­ки, бло­ки ци­лин­д­ров), ра­диа­то­ры ох­ла­ж­де­ния, ото­пи­те­ли, ка­би­ны, са­ло­ны ав­то­бу­сов, цис­тер­ны для пе­ре­воз­ки хи­мич. и неф­те­хи­мич. про­дук­тов, сы­пу­чих гру­зов; в строи­тель­ст­ве – стро­ит. кон­ст­рук­ции, окон­ные ра­мы и две­ри; в пи­ще­вой пром-сти – ­банки для пи­ва, во­ды, пи­ще­вых про­дук­тов, бы­то­вая фоль­га и др.

Модуль упругости

Модуль упругости, который часто называют модулем Юнга – это отношение напряжения, которое приложено к материалу, к соответствующей деформации в том интервале, когда они являются прямо пропорциональными друг к другу.

Различают три типа напряжений и соответственно три типа модулей упругости для любого материала, в том числе для алюминия:

• модуль упругости при растяжении
• модуль упругости при сжатии
• модуль упругости при сдвиге (сдвиговый модуль упругости).

Таблица – Модули упругости при растяжении алюминия и других металлов [1]

Предел текучести

Напряжение, которое необходимо для достижения заданной малой пластической деформации в алюминии или другом материале при одноосной растягивающей или сжимающей нагрузке.

Если пластическая деформация под воздействием растягивающей нагрузки задается как 0,2 %, то применяется термин «предел текучести 0,2 %» (Rp0,2).

Рисунок 4 – Типичная диаграмма напряжение-деформация для алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы для алюминиевых профилей

Российский СП 128.13330.2012 (актуализированный СНиП 2.03.06-85) предписывает для применения в строительных алюминиевых профилях следующие деформируемые алюминиевые сплавы: АД31, 6060, 6063, АД33, АВ, 1915, 1925, В95.

Еврокод 9 применяет для алюминиевых профилей сплавы 5083, 5454, 5754, 6060, 6061, 6063, 6005А, 6106, 6082, 7020.

Российский СП 128.13330.2012 и европейский Еврокод 9 «пересекаются» на сплавах 6060, 6063, АД33 (6082) и, частично на сплавах 1915 и 1925 (7020).

Заметим, что Еврокод 9 не применяет высокопрочных сплавов, таких как 7075, (аналог сплава В95). Кроме того, Еврокод рекомендует для алюминиевых профилей три сплава серии Al-Mg (5ххх). В СП 128.13330.2012 подобные сплавы для профилей отсутствуют.

Удлинение (при разрыве)

Часто называется «относительным удлинением». Увеличение расстояния между двумя метками на испытательном образце, которое возникает в результате деформирования образца при растяжении до разрыва между этими метками.

Величина удлинения зависит от размеров поперечного сечения образца. Например, величина удлинения, которая получена при испытании алюминиевого листового образца будет ниже для тонкого листа, чем для толстого листа. Тоже самое относится и к прессованным алюминиевым профилям.

Рисунок 5 – Влияние легирующих элементов на прочностные свойства и относительное удлинение [4]

Удлинение А

Удлинение в процентах после разрыва образца при исходном расстоянии между метками 5,65 · √ S0, где S0 – исходная площадь поперечного сечения испытательного образца. Устаревшее обозначение этой величины А5 в настоящее время не применяется. Аналогичная величина в русскоязычных документах обозначается δ5.

Легко проверить, что для круглых образцов это расстояние между исходными метками вычисляется как 5·d.

Удлинение А50мм

Удлинение в процентах после разрыва образца по отношению к исходной длине между метками 50 мм и постоянной исходной ширине испытательного образца (обычно 12,5 мм). В США применяется расстояние между метками в 2 дюйма, то есть 50,8 мм.

Алюминиевый сплав 6060

• Имеет минимальное содержание магния 0,35 %, а кремния — 0,30 %
• «Разбавленный» вариант сплава 6063
• В состоянии Т6 обеспечивает прессованным профилям (толщиной до 3 мм) минимальную прочность 190 МПа
• Легко прессуется даже при очень сложных поперечных сечениях профилей.
• Хорошо формуется, например, гибкой, в состоянии Т4 – после закалки и естественного старения.
• Применятся в окнах, дверях, фасадах, а также при изготовлении поручней, ограждений, мебели, спортивного инвентаря.
• Хорошо подходит для анодирования – защитного и декоративного.

Алюминиевые сплавы 6063 и АД31

• Минимальное содержание магния 0,45 %, а кремния — 0,20 %
• Повышенный минимум магния обеспечивает более высокую, чем у сплава 6060 прочность: в состоянии Т6 – до 215 МПа
• Повышенное содержание магния снижает скорость прессования: на 15-20 % по сравнению со сплавом 6060
• Область применения – та же, что и у сплава 6060, кроме сложных и тонкостенных профилей, когда рекомендуют применять сплав 6060.

Сдвиговая прочность

Максимальное удельное напряжение, то есть максимальная нагрузка, разделенная на исходную площадь поперечного сечения, которую выдерживает материал при испытании на сдвиг. Сдвиговая прочность обычно составляет около 60 % от прочности при растяжении.

Сдвиговая прочность является важной характеристикой качества заклепок, в том числе, алюминиевых.

Рисунок 6 – Прочность на сжатие, прочность на сдвиг, несущая прочность и твердость различных алюминиевых сплавов [4]

Состояния алюминиевых сплавов

Уровень механических свойств любого алюминиевого сплава определяют два основных фактора:

• химический состав сплава, то есть содержание в процентах, как легирующих элементов, так и примесей;
• состояние сплава, то есть обработка, которую получил сплав в процессе изготовления готового алюминиевого продукта, деформационная и термическая.

Для состояний, которые достигаются в основном термической обработкой обозначение состоит из заглавной буквы Т и одной или нескольких цифр, например, Т66.

Для состояний, которые достигаются деформационной обработкой, применяются обозначения, которые состоят из заглавной буквы Н и одной или нескольких цифр, например, Н14.

Твердость

Сопротивление металла пластическому деформации, обычно измеряемое путем отпечатка.

Твердость Бринелля (HB)

Сопротивление проникновению сферического индентора при стандартизированных условиях.

Для алюминия и алюминиевых сплавов твердость НВ приблизительно равна 0,3·Rm, где Rm – предел прочности при растяжении, выраженный в МПа [2].

Если применяется индентор из карбида вольфрама, то применяется обозначение HBW.

Твердость Викерса (HV)

Сопротивление проникновению алмазного индентора в виде квадратной пирамиды при стандартизированных условиях. Твердость HV приблизительно равна 1,10·HB [2].

Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминий как конструкционный материал редко применяется в чистом виде. Малое количество (иногда меньше 1 %) других элементов могут значительно изменить его свойства, физические и механические. Одним из основных свойств конструкционных металлов является их прочность. Нелегированный алюминий имеет предел прочности около 90 МПа. За счет деформационного наклепа (нагартовки) эта величина может возрастать до 200 МПа. Однако добавление в чистый алюминий небольших количеств цинка, меди и магния делает его высокопрочным алюминиевым сплавом с пределом прочности более 550 МПа.
Алюминиевые сплавы делятся на две категории: деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы обрабатываются в заданную форму с помощью деформации (экструзии, прокатки, ковки, штамповки, волочения). Литейные сплавы разливают в литейные формы.

Усталость

Тенденция металла разрушаться при длительных циклическом напряжении, которое значительно ниже предела прочности при растяжении.

Рисунок 7 – Различие в усталостном поведении низкоуглеродистой стали иалюминиевых сплавов [3]

Усталостная прочность

Максимальная амплитуда напряжения, которую может выдерживать изделие при заданном количестве циклов нагружения. Обычно выражается как амплитуда напряжения, которая дает 50%-ную вероятность разрушения после заданного количества циклов нагружения [2].

Усталостная выносливость

Предельное напряжение, ниже которого материал будет выдерживать заданного количество циклов напряжения [2].

Старение алюминиевых сплавов: естественное и искусственное

Обычно естественное старение начинается сразу после закалки с относительно высокой скоростью, которая затем постепенно снижается (рисунок 2). В зависимости от сплава для достижения состояния Т4 может потребоваться несколько недель, как, например, для сплава 6060 при минимуме содержания магния и кремния. Для сплава 6063 с максимальным содержанием магния и кремния этот процесс практически заканчивается приблизительно в течение недели.

Рисунок 2 – Старение алюминиевых сплавов (не в масштабе) [3]

Через некоторое время после закалки – нескольких часов или суток, в зависимости от сплава и производственных условий – профили, которые должны быть состарены искусственно, помещают в печь старения. Типичный режим искусственного старения для профилей из сплава 6060 – нагрев до температуры 180 ºС и выдержка в течение 5 часов для достижения состояний Т6, а также Т5 или Т66. При этом стараются попасть в максимум прочности на кривой старения.

При более длительной выдержке прочность профилей снижается и тогда получается перестаренное

состояние Т7. Это состояние обеспечивает повышенную электрическую проводимость. При более короткой выдержке материал получает
недостаренное
состояние, например, Т64.